非补燃式压缩空气储能中的热处理专利技术.pdf
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1、中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-36-专利分析在全球推进绿色低碳能源的背景下,水力、风力、光伏等清洁能源近年来得到了大力推广,为了避免这些能源的浪费,配套的储能行业也在不断发展。其中,压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)由于摆脱了对储能电池的依赖,属于目前具有代表性的储能方式之一。压缩空气储能主要是通过压缩机将气体进行压缩存储,从而获得具有高能量的高压气体,需要使用时再通过膨胀机将存储的高压气体进行膨胀,并带动发电机运行,从而将能量释放。在这个
2、过程中,空气压缩时会释放热量,而膨胀时则需要吸收热量,因此,热处理是压缩空气储能的重要环节。在早期的应用中,主要采用补燃式压缩空气储能技术,通过燃气轮机来实现空气膨胀过程中的升温和释能,其存在环境污染、热处理率低等问题。目前更多采用的是具有热循环处理的非补燃式压缩空气储能。基于此,本文针对非补燃式压缩空气储能的热处理技术这一主题下近 20 年的专利进行了检索和分析。相关数据基于 Patsnap 全球专利数据库,检索截止日为 2023 年 12 月 3 日。整体态势分析申请趋势分析相关专利的全球申请趋势如图 1 所示,其中绿色部分代表中国的专利,蓝色部分代表其他国家或地区的专利。从图中可以看到,
3、近 20 年中,整体专利趋势基本呈阶梯式上升的状态,以 2010 年和 2021 年为分界点,申请量趋势被分为三个阶梯段。其中,2010 年主要是受全球对储能领域的重视化,国际上在该领域下的专利申请量迎来了一次增长,这一年,德国莱茵电力公司与通用电气、德国宇航中心、德国旭普林共同启动了一套非补燃式技术方向的大规模洞穴式绝热压缩空气储能电站 Adele 的建设。而 2021 年申请量出现的阶梯式上涨则主要是受中国专利量的增长影响,在这一年 7 月,我国国家发展改革委、国家能源局发布了关于加快推动新型储能发展的指导意见,明确提出要实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。此后,202
4、2 年 3 月和 8 月,我国又相继发布了“十四五”新型储能发展实施方案和加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划,进一步为压缩空气储能的产业化发展奠定了基础。受国内政策环境影响,我国在 2022 年的相关专利量也达到了最高的 174 件。另外,需要说明的是,图中 20222023行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度非补燃式压缩空气储能中的热处理专利技术庞滨洋 邱云飞庞滨洋1 邱云飞21.北京超凡宏宇专利代理事务所(特殊普通合伙)成都分所2.四川省知识产权发展研究中心-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024
5、中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析年由于部分专利有 18 个月的公开周期,因此这两年中存在部分专利因未公开而不在统计数据中的情况。重点申请人分析经统计该技术领域下专利数量排名前十的申请人,如图2 所示,其中包括 4 家国外企业,分别是位于并列第 1 位的法国石油公司(即 IFP 新能源公司)、株式会社神户制钢所,第 4 位的光帆能源公司以及第 9 位的通用电气公司,其余 6位均为国内申请人。而在 6 位国内申请人的构成中,分别包括了研究所、大学以及公司三种类型,并且从这三类国内申请人中研究所和大学就占了 4 位,国内公司申请人仅有 2 位,再结合数量排名可见,我国在该领域下的技术更多
6、处于科研阶段,实际应用相对于国外是偏少的,当然这也与空气压缩储能领域本身在应用中对成本和场地要求较高有关。再来看排名前十位申请人历年的相关专利申请量,从图3 中可以看出,并列排名第一的法国石油公司和株式会社神户制刚所他们的申请量主要集中在 20152018 年,而近几年的申请量相比之下很少,另外两家美国公司光帆能源和通用电气则更加明显,2016 年之后就没有再在该领域下进一步布局专利了。而与之相反的是,国内申请人除了中国科学院工程热物理研究所从很早在该领域下有专利申请外,其余国内申请人主要申请量较多的时间都相对靠后,且近年来也基本都有专利申请。这些排名前十的重点申请人的专利申请集中时间段的分布
7、也从一定程度上反映出了中国、美国、日本、法国几个国家在压缩空气储能领域的发展先后情况。技术方向分析在压缩空气储能中,非补燃式的压缩空气储能的技术分支主要包括先进绝热式压缩空气储能(AA-CAES)、等温式压缩空气储能(I-CAES)、液态压缩空气储能(LAES)以及超临界压缩空气储能(SC-CAES),而其中所涉及的热处理技术在基于这四类分支上又形成了不同的技术方向。因此,本节主要对这几类压缩空气储能中的热处理相关技术进行介绍,并基于相关专利的申请时间、同族信息、被引证次数、当前法律状态筛选出了各个技术下具有代表性的重点专利进行展示。先进绝热式压缩空气储能中的热处理技术先进绝热压缩空气储能的特
8、点是在系统中加入了储热装置,其用于将压缩空气过程所产生的热量进行储存,并在膨胀释能过程中将热量用于加热压缩空气,驱动膨胀机发电,从而实现更高效的能源利用。先进绝热压缩空气储能也是目前应用最多的一个方向。其中具有代表性的专利是由诺沃皮尼奥内有限公司于 2010 年 10 月 29 日 申 请 的 专 利 US8739522B2,该 专 利 具 有 7 件 简 单 同 族 专 利,中 国 同 族 专 利 号 为CN102536352B,且美国、中国、欧洲同族专利均处于授权有效状态。该专利公开了一种预热高级绝热压缩空气蓄能系统中压缩空气的系统和方法,代表附图如图 4 所示。其核心点在于当空气压缩过程
9、中,通过换热器 208 对第一压缩机图 3 全球排名前十申请人历年专利申请量图 2 相关专利申请量全球排名前十申请人图 1 相关专利近 20 年申请趋势204 压缩后的热空气进行冷却换热,其中采用油作为换热介质,换热后的油则被送到热油罐 220 进行隔热存储;而当空气膨胀释能时,则优先通过热油罐对来自地下储槽 216 的压缩空气进行预热。该专利通过回收压缩空气蓄能系统中压缩机之间损失的热能以进一步利用,从而提高发电效率。等温式压缩空气储能中的热处理技术等温压缩空气储能是在恒定温度下进行空气压缩,并且膨胀过程中也是在恒定温度下进行的。恒定温度是采用一定措施(如活塞、喷淋、底部注气等),通过比热容
10、大的液体(水或者油)提供近似恒定的温度环境。由此可见,热处理技术是等温压缩空气储能中最核心的部分。该方向下具有代表性的专利是由瑟斯特克斯有限公司在2009 年 12 月 16 日申请的专利 US8225606B2,其最早优先权日为 2008 年 4 月 9 日,该专利共计有 10 件简单同族,包括中国同族 CN102498638B,专利族共计被引用次数 227 次。但该专利族目前均因未缴年费而失效。该专利公中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-38-专利分析开了一种通过气体的快速等温膨胀和压缩来储
11、存和再生能量的系统和方法,其中提出了如图 5 所示的架构,该架构用于往复式空气压缩机上,在其中一侧设置有传热子系统,该传热子系统可采用能够将传热流体引入气缸一侧的喷射机构,由此实现对压缩气体的热量调节以等温压缩和膨胀。液态空气压缩储能中的热处理技术随着空气压缩技术的发展,除了传统方式中将空气压缩为高压气体之外,目前还包括液态压缩空气储能以及后面介绍到的超临界压缩空气储能。其中,前者是将空气进一步压缩为液体,后者是将空气压缩到超临界状态,两者均可以减小空气存储的体积,属于未来的重要发展方向。同时,由于这两者都对空气的压缩程度更高,也就使得这个过程中释放的热能更多,压缩后的空气温度更低,从而出现了
12、对冷能进行利用的技术分支。因此,在液态压缩空气储能和超临界压缩空气储能中关于热处理技术的研发创新也是其重要方向。对于冷能的处理,中国科学院理化技术研究所在 2015年 6 月 25 日申请了专利 CN105043147B,其针对液态空气压缩储能领域,在换热介质上进行了改进,采用了凝固点低、沸点高的液态蓄冷工质来回收液态空气的冷能,利用液态工质比热容大的特性实现大温跨换热,性能稳定,损失小;相对于目前的相变蓄冷材料,可以减少多种材料配置的烦琐过程,成本较低;相对于石子填充床蓄冷器,具有更少的损失。另外,全球能源互联网研究院和国家电网公司在2016 年 6 月 14 日申请的专利 CN106050
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